KR101191316B1

KR101191316B1 - 사용자의 불편도를 이용한 에너지 절감 방법 및 에너지 절감 장치

Info

Publication number: KR101191316B1
Application number: KR1020090123698A
Authority: KR
Inventors: 오재영; 이주철; 김윤기; 이상훈; 김태완
Original assignee: 주식회사 케이티
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2012-10-16
Also published as: KR20110067201A

Abstract

본 발명은, 사용자의 불편도를 이용하여 복수의 전력기기의 에너지를 절감하기 위한 에너지 절감 방법 및 에너지 절감 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 에너지 절감 방법은, 사용자의 허용 불편도를 설정하는 설정 단계; 상기 허용 불편도를 이용하여 총 전력절감비율을 결정하는 결정 단계; 특정 시간 구간에서 복수의 전력기기 각각에 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당하는 할당 단계; 및 상기 특정 시간 구간에서 상기 복수의 전력기기의 전력을 상기 할당된 전력절감비율만큼 줄이는 절감 단계;를 포함한다. 사용자의 불편을 최소화하며 복수의 전력기기의 전력을 시간 구간마다 능동적으로 줄임으로써 전력 요금을 최소화한다.

에너지 절감, 전력 소비, 전기 요금, 불편도, 우선 순위, 전력절감비율, 홈 네트워크

Description

사용자의 불편도를 이용한 에너지 절감 방법 및 에너지 절감 장치{METHOD AND APPARATUS FOR REDUCING ENERGY CONSUMPTION USING USER'S INCONVENIENCE}

본 발명은, 에너지 절감 방법 및 에너지 절감 장치에 관한 것으로, 구체적으로, 사용자의 불편도를 반영하여 복수의 전력기기의 에너지를 절감하는 에너지 절감 방법 및 에너지 절감 방치에 관한 것이다.

최근 환경 오염, 고유가 문제를 극복하고자 자원의 효율적, 환경 친화적 이용에 초점을 맞춘 그린 IT 기술 개발의 중요성이 대두되고 있으며, 이는 IT 산업에 새로운 우선 순위로 자리매김하고 있다. 현재까지 IT 산업은 장비의 성능 향상 및 디자인에 많이 집중되었으나 전력 소비 및 친환경적인 면에 대한 우려는 상당 부분 반영되지 못하고 있는 것이 사실이다. 따라서 IT 분야의 사용자들은 환경 문제 및 에너지 소비에 대해 좀 더 많은 관심을 가지면서 발전해 나가야 할 것이다.

평소에 우리 주변의 가정이나 기업에서 많은 기기의 전력을 소모하고 있으며, 이에 따라 여러 기업들은 그린 IT 정책에 맞추어 에너지 효율을 높일 수 있는 여러 가지 아이디어 및 제품을 생산하고 있다. 그 중 에너지 절감 알고리즘을 개발하여 이를 실생활에 적용하려는 다양한 시도가 전개되고 있다. 대표적으로, 에너지 절감 프로그램(EMS:Energy Management Software), 리젠 에너지사(Regen Energy)의 스웜 로직(Swarm logic)을 들 수 있다.

에너지 절감 프로그램(EMS)은 빌딩 자동 제어 시스템에서 많이 적용되고 있는 에너리 절감 제어 알고리즘으로서 빌딩의 공조 시스템 장비를 효과적으로 제어한다. 빌딩 자동 제어 시스템에서 공조 설비와 관련하여 많은 에너지 절감 프로그램(EMS)이 있으나, 일반적으로 많이 적용되고 있는 에너지 절감 프로그램의 종류는 야간 운전(night cycle) 제어, 야간 외기 취입(night purge) 제어, 최적 기동(optimum start) 제어, 최적 정지(optimum stop) 제어, 절전 운전(duty cycle) 제어, 엔탈피(enthalpy) 제어이다.

야간 운전 제어 알고리즘은 동절기 및 하절기 야간 공실 시간의 실내온도를 적절히 유지시켜 빌딩의 각종 장비를 보호하고, 빌딩의 재실 시간에 맞춰 기동할 때 장비에 걸리는 과부하를 예방하는 것을 목적으로 한다. 이 알고리즘은 주로 겨울에 운영되며 열원 기기를 사용하므로 운전에 신중을 가해야 한다. 이 알고리즘은 실내 온도를 관제점 입력으로 가동 시간대, 알고리즘 사용 유무, 냉/난방 설정을 제어 입력으로 하여, 댐퍼 제어와 열원 기기 및 팬 제어를 수행한다. 공실시에 최소 환기를 시켜주는 제어로 일정 시간동안 최소 환기를 하여 실내 환기를 통한 실내 쾌적 조건을 유지시킨다. 난방시, 설정된 조건이 만족하여 야간 운전 제어 알고리즘이 동작되면, 공조기가 가동되면서, 외기/배기 댐퍼는 닫히고, 환기 댐퍼는 역동작하며 난방 밸브는 완전히 열리게 된다.

야간 외기 취입 제어 알고리즘은 일출 전에 찬 외기를 유입하여 실내 온도를 낮추는 기술로, 냉방 시간과 냉방 부하를 줄이는 것이 그 목적이다. 이 알고리즘은 실내 온도와 외기 온도를 관제점 입력으로 가동 시간대와 알고리즘 사용 유무, 냉/난방 설정을 제어 입력으로 하여 댐퍼 제어 및 팬 제어를 수행한다. 야간 외기 취입 제어는 야간 운전 제어가 가능할 때나, 최적 기동 제어가 가능할 때에만 운전을 한다.

최적 기동 제어 알고리즘은 빌딩 재실 시간 전에 쾌적한 실내 온도를 맞추기 위해 공조 시스템을 기동하는 기술로 초기 운전시, 과부하로 인한 에너지 소비를 최소화할 수 있다. 이 알고리즘은 실내 온도와 외기 온도를 사용하여 공조 시스템 시작 시간을 연산하며, 그에 따른 댐퍼 제어와 열원기기 및 팬 제어를 수행한다.

최적 정지 제어 알고리즘은 빌딩 재실 시간 이후에 쾌적 한계를 초과함이 없이 적절한 시기에 공조 시스템을 정지하여, 에너지 소비를 최소화하는 것이 그 목적이다. 이 알고리즘은 실내 온도와 외기 온도를 사용하여 공조 시스템 정지 시간을 연산하며, 그에 따른 댐퍼 제어와 열원기기 및 팬 제어를 수행한다.

절전 운전 제어 알고리즘은 공조기의 급기팬과 환기팬을 주기적으로 중지시킴으로써 주간 운전시, 팬 운전 시간을 줄여 기존의 전가동 팬 운전 방식에 비해 전력 소모를 감소시키는 기술이다. 이 알고리즘은 실내 온도와 이산화탄소(CO2) 농도를 관제점 입력으로 가동시간대, 알고리즘 사용 유무, 냉/난방 설정을 제어 입력으로 하여 팬 기동/정지 제어를 수행한다. 절전 운전 시간은 실내 온도 상태에 따라 연산되며, 절전 운전시 이산화탄소 농도가 설정값 보다 증가할 경우, 급기팬과 환기팬을 가동하고 댐퍼의 개도치를 조정한다.

엔탈피 제어 알고리즘은 주간 냉방 운전시 상대적으로 엔탈피 에너지가 적은 외기를 도입하는 기술로 실내의 엔탈피 에너지를 감소시키는 것이 그 목적이다. 이 알고리즘은 실내와 외부 공기의 엔탈피를 비교하여 엔탈피 제어 운전의 여부를 판단하며, 엔탈피 에너지 연산은 온도와 습도를 사용한다. 실내 온도와 외기 온도, 실내 습도와 외기 습도를 관제점 입력으로 가동시간대, 알고리즘 사용유무, 냉/난방설정을 제어입력으로 하여 댐퍼 제어 및 팬제어를 수행한다.

한편, 리젠 에너지사(Regen Energy)의 스웜 로직(Swarm logic)은 전력의 피크(Peak) 값을 낮추어 최대 30%까지 전력 요금을 절감하는 에너지 솔루션을 제안한다. 이 회사의 타겟(Target) 시장은 전력 부하가 특정 시간에 집중될 수 있는 사무실, 복합 건물, 쇼핑몰과 같은 건물의 에너지 절감 분야이다. 인바이러그리드 컨트롤러(EnviroGrid Controller:Swarm controller)를 전기기기에 장착함으로써 피크 전력을 조절하여 전기 요금을 줄이는 것을 목표로 한다. 기기에 장착된 컨트롤러는 기기의 듀티 사이클(duty cycle), 동작 시간(running time), 요구 전력(required power) 등의 정보를 수집한 후, 컨트롤러에 내장된 지그비 송수신기를 이용하여 무선 메쉬 네트워크(wireless mesh network)를 구성하고 브로드캐스팅을 이용하여 다른 컨트롤러와 정보 교환을 한다. 이와 같이 컨트롤러 사이의 정보 교환 통신을 통해 기기가 동시에 작동되는 경우를 피하도록 24시간을 기준으로 시간 도메인에서 기기 작동의 스케쥴링을 구현함으로써 피크 전력을 낮출 수 있다. 또한 전력 레벨을 7 단계로 나누어 각 기기의 요구 반응(demand response)을 조정함으로써 전체 전력 소비량을 감소시킬 수 있는 방법이다.

그런데, 상술한 바와 같은 종래 에너지 절감 알고리즘은, 온도 조절을 위한 에어컨 또는 히터의 전력기기만을 고려하여 에너지 절감 메카니즘을 제시하고 있을 뿐이다. 즉 여러 대의 에어컨 중에서 일부의 에어컨의 작동을 일정 시간동안 멈추고, 작동하는 과정을 반복한다. 따라서 에어컨 및 히터의 전력기기를 제외한 다른 전력기기의 에너지 낭비를 막을 수 없다. 또한, 종래 에너지 절감 알고리즘은 전력의 피크 값을 낮추어 전력요금을 낮추는 방법으로, 하나의 전력기기를 일정 시간동안 작동을 멈춘다. 즉, 특정 시간 동안 전력기기의 사용을 전혀 하지 않음으로써 전력기기 사용자의 불편도를 전혀 고려하지 않았음을 알 수 있다. 전력기기를 일정시간동안 오프(OFF) 상태로 설정하면, 사용자의 불편도가 증가하게 되는데 종래 에너지 절감 알고리즘은 이러한 것을 전혀 고려하지 않고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 하나의 전력기기만을 고려하는 것이 아닌 여러 종류의 전력기기의 사용 패턴을 분석 및 모델링하여 동시에 전력 제어를 수행함으로써 에너지 효율성을 높이는 에너지 절감 방법 및 이를 위한 에너지 절감 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 여러 종류의 전력기기의 사용 패턴을 분석 및 모델링하여 동시에 전력 제어를 수행함에 있어서 사용자의 불편도를 고려하여 스케쥴링을 행함으로써 에너지 효율성을 높이면서도 사용자의 불편도를 최소화하는 에너지 절감 방법 및 이를 위한 에너지 절감 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른, 복수의 전력기기가 공존하는 환경에서의 에너지 절감 방법은, 사용자의 허용 불편도를 설정하는 설정 단계; 상기 허용 불편도를 이용하여 총 전력절감비율을 결정하는 결정 단계; 특정 시간 구간에서 복수의 전력기기 각각에 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당하는 할당 단계; 및 상기 특정 시간 구간에서 상기 복수의 전력기기의 전력을 상기 할당된 전력절감비율만큼 줄이는 절감 단계;를 포함한다.

상기 할당 단계는, 우선 순위가 가장 낮은 전력기기부터 전력절감비율을 할당할 수 있다.

또는, 상기 할당 단계는, 우선 순위가 가장 낮은 전력기기, 듀티 사이클(Duty Cycle)에서 상기 특정 시간 구간에서 피크 전력이 나타나는 전력기기, 나머지 전력기기 중 우선 순위가 가장 낮은 전력기기의 순서로 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당할 수 있다.

또는, 상기 할당 단계는, 우선 순위가 가장 낮은 전력기기, 듀티 사이클(Duty Cycle)에서 상기 특정 시간 구간에서 피크 전력이 나타나는 전력기기, 나머지 전력기기 중 상기 특정 시간 구간에서 가장 많은 전력을 소모하는 전력기기, 나머지 전력기기 중 우선 순위가 가장 낮은 전력기기의 순서로 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당할 수 있다.

상기 에너지 절감 방법은, 시간 구간별로 전력기기의 우선 순위를 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 할당 단계는, 상기 특정 시간 구간에서 할당하는 전력절감비율과 이전 시간 구간에서 할당된 전력절감비율의 합이 1 이상인 전력기기는 해당 특정 시간 구간에서 전력절감비율을 할당하지 않는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른, 복수의 전력기기의 에너지를 절감하기 위한 에너지 절감 장치는, 허용 불편도를 이용하여 총 전력절감비율을 결정하는 결정부; 특정 시간 구간에서 복수의 전력기기 각각에 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당하는 할당부; 및 상기 특정 시간 구간에서 상기 복수의 전력기기의 전력을 상기 할당부에서 할당된 전력절감비율만큼 줄이는 절감부;를 포함한다.

상기 할당부는, 우선 순위가 가장 낮은 전력기기부터 전력절감비율을 할당할 수 있다.

또는, 상기 할당부는, 우선 순위가 가장 낮은 전력기기, 듀티 사이클(Duty Cycle)에서 상기 특정 시간 구간에서 피크 전력이 나타나는 전력기기, 나머지 전력기기 중 우선 순위가 가장 낮은 전력기기의 순서로 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당할 수 있다.

또는, 상기 할당부는, 우선 순위가 가장 낮은 전력기기, 듀티 사이클(Duty Cycle)에서 상기 특정 시간 구간에서 피크 전력이 나타나는 전력기기, 나머지 전력기기 중 상기 특정 시간 구간에서 가장 많은 전력을 소모하는 전력기기, 나머지 전력기기 중 우선 순위가 가장 낮은 전력기기의 순서로 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당할 수 있다.

그리고, 상기 할당부는, 상기 특정 시간 구간에서 할당하는 전력절감비율과 이전 시간 구간에서 할당된 전력절감비율의 합이 1 이상인 전력기기는 해당 특정 시간 구간에서 전력절감비율을 할당하지 않는 것이 바람직하다.

또한, 상기 에너지 절감 방치는, 사용자로부터 각 시간 구간별 전력기기의 우선 순위 정보를 입력받아 저장하는 입력부;를 더 포함할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은, 단순히 특정 전력기기를 ON/OFF 상태로 관리하는 것이 아니라, 시간 구간마다 사용자의 불편도를 고려하여 복수의 전력기기의 전력을 줄임으로써, 사용자의 불편을 최소화하면서 전력 요금을 최소화한다. 따라서 사용자의 만족도를 높이게 된다.

또한, 본 발명은, 복수의 전력기기의 전력을 줄이는데 있어서 가장 우선 순위가 낮은 전력기기부터 전력을 줄이는 등의 지능적으로 줄여야 할 전력기기를 선택함으로써 사용자의 불편을 최소화한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

이하의 본 실시예는 가정용 에너지 절감 시나리오를 기반으로 한다. 이 시나리오에서는 가정에서 일반적으로 흔히 사용하는 전력기기 5가지를 대표적으로 선정하여 본 발명에 따른 에너지 절감 방법을 설명하고 효과를 설명한다. 5가지 전력기기는 텔레비전(TV), 냉장고(Refrigerator), 에어컨(Air-Conditioner), 컴퓨터(Computer), 세탁기(Washing machine)이다. 또한 전기 낭비의 큰 부분을 차지하고 있는 대기 전력의 개념도 본 발명에서 사용된다. 대표적으로 선정한 위의 5가지의 전력기기 중에서는 텔레비전, 컴퓨터, 세탁기 이렇게 3가지의 전력기기가 대기전력과 관련된 기기라고 할 수 있다. 본 실시예에서는 이렇게 5가지의 전력기기의 특징을 파악하고 수식으로 모델링하고, 하루 24시간을 3시간씩 총 8개의 시간 구간(time period)으로 나누어 최적화된 스케쥴링을 한다. 여기에는 사용자의 불편도를 고려하게 되며 전기 요금을 최소화 하는 것을 목표로 한다.

통상적으로 가정용 기기를 듀티 사이클(Duty cycle)에 따라서 구분하면, 특정한 시간에 사용하는 기계는, 예를 들면 낮에 특히 많이 사용하는 에어컨, 밤에 특히 많이 사용하는 전등 등이 이런 식으로 구분되어 질 수 있다. 또한 1년을 주기로 볼 때, 여름에 많이 사용하는 기기, 겨울에 많이 사용하는 기기로 구분되어 질 수도 있다. 여름에는 선풍기, 에어컨 등이 많이 사용되며, 겨울에는 가습기, 전기장판, 전기난로, 히터 등이 많이 사용된다.

본 실시예에서 선정한 5가지의 기기의 특징을 간단히 살펴보면, 먼저 냉장고는 잠시라도 기기를 꺼두면 안 되는 항상 온(on) 상태로 설정을 해두어야 하는 기기이다. 따라서 본 발명에서 제안하는 방법에서 냉장고는 제외한다. 다른 의미로 보면 냉장고의 전력을 제어하게 되면, 사용자의 불만족도가 매우 크다는 것으로 볼 수도 있다. 두 번째로 에어컨은 주로 더운 낮 시간에 많이 사용하며, 한국전력의 통계 자료를 살펴보면 낮 시간보다 밤 8~10시 사이에 더 많이 사용하는 것을 알 수 있다. 따라서 하루 중 낮 12~14시 사이와 밤 8~10시 사이에 전력이 피크(peak)를 보이는 특징을 가진다. 세 번째로 컴퓨터는 평균 168w의 전력을 가지며, 밤 8~10시 사이에 전력이 피크(peak)를 보이는 것을 알 수 있다. 네 번째로 세탁기는 평균 495w의 꽤 높은 전력을 가지며, 오전 8~10시 사이에 전력이 피크(peak)를 보이는 것을 알 수 있다. 마지막으로 텔레비전은 오전 8~10시 사이와 밤 8~10시 사이에 많은 전력을 사용하는 것을 알 수 있다.

한편, 대기 전력도 전기 낭비의 큰 부분을 차지하고 있다. 컴퓨터, 텔레비전 등 사무, 가전기기는 실제로 사용하지 않는 대기 상태(standby)에서도 많은 전력을 소비하고 이를 대기 전력이라고 부른다. 리모콘 신호대기, 타이머 또는 모니터 표시 등과 같이 기기 본래의 기능과 무관하게 전기가 낭비되고 있다는 의미에서 ‘전기흡혈귀(Power Vampire)’라고 불린다. 대기 전력 소비량은 상당히 많으며, 특히 가정에는 자주 사용하지 않지만 사무용의 복사기나 비디오의 경우는 전체 전력소비 의 80%를 차지하는 것으로 추정된다. 따라서 텔레비전의 경우는 전원을 꺼도 플러그가 전원에 연결되어 있으면 일정부분의 전력은 소모된다. 이렇게 대기시간에 버려지는 에너지 비용은 우리나라 가정 전력 사용량의 10%를 넘고 있다. 가정에서 TV, VTR, 전자레인지, 세탁기를 전원에 꽂아둔채 하루 24시간동안 사용하면, 가정에서 사용되는 전력의 약 11% 정도를 차지하여 이를 절약할 경우 각 가정에서는 연간 3만 3천원, 전국적으로 5,000억원이 절약되어 원자력발전소 1기의 건설효과를 거둘 수있다. 본 발명에서는 정보 교환을 통해서 대기 전력이 소모되는 기기를 찾은 후 오프(off) 상태가 되었을 때 유틸리티(Utility) 값이 더 커지는 것으로 대기전력 효과를 반영한다. 본 발명에서 사용하는 5가지 기기 중에서는 텔레비전, 컴퓨터, 세탁기가 대기 전력과 관련있는 기기라고 할 수 있다.

① <가전용 전력기기의 전력 소비 패턴 모델링 >

상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 총 5개의 가정용 전력기기를 최적화를 통해서 전기 요금과 사용자의 불편도를 최소화하기 위해 각각 수식으로 모델링을 한다. 모델링은 한국전력의 통계 자료를 통해서 근사화한 수치이다.

텔레비전(m=1)

한국전력의 통계 자료를 통해 텔레비전의 전력 소모 패턴을 모델링하면 다음 [수학식 1]과 같다. 도 1은 텔레비전의 실제 전력 소모 패턴과 아래 [수학식 1]에 따른 모델링 패턴의 비교 그래프로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 모델링 패턴은 실제 전력 소모 패턴과 유사하다.

, 여기서 t는 시간.

냉장고(m=2)

냉장고는 그 특성상 거의 모든 가정에서 항상 켜두고 있기 때문에 별도로 모델링을 하지 않는다.

세탁기(m=3)

한국전력의 통계 자료를 통해 세탁기의 전력 소모 패턴을 모델링하면 다음 [수학식 2]와 같다. 도 2는 세탁기의 실제 전력 소모 패턴과 아래 [수학식 2]에 따른 모델링 패턴의 비교 그래프로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 모델링 패턴은 실제 전력 소모 패턴과 유사하다.

, 여기서 t는 시간.

도 2에 도시된 바와 같이, 세탁기의 경우 새벽 시간에는 사용 패턴에서 전혀 사용하지 않는 유일한 기기이며, 오전 시각에 사용량이 매우 많다는 것을 확인할 수 있다. 또한 피크 전력이 나타나는 오전 시각을 제외하면 다른 시각에서는 모든 시간에 걸쳐 가장 중요도가 낮은 기기이다. 다른 의미로는, 오전 시각을 제외한 다른 시각에서는 세탁기의 사용량이 매우 낮다는 것을 의미하다.

에어컨(m=4)

한국전력의 통계 자료를 통해 에어컨의 전력 소모 패턴을 모델링하면 다음 [수학식 3]과 같다. 도 3은 에어컨의 실제 전력 소모 패턴과 아래 [수학식 3]에 따른 모델링 패턴의 비교 그래프로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 모델링 패턴은 실제 전력 소모 패턴과 유사하다.

, t는 시간.

컴퓨터(m=5)

한국전력의 통계 자료를 통해 컴퓨터의 전력 소모 패턴을 모델링하면 다음 [수학식 4]와 같다. 도 4는 컴퓨터의 실제 전력 소모 패턴과 아래 [수학식 4]에 따른 모델링 패턴의 비교 그래프로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 모델링 패턴은 실제 전력 소모 패턴과 유사하다. 사무용이 아닌 가정용 컴퓨터는 주로 저녁 시간에 사용을 하며, 밤 8~10시 사이에서 피크 전력이 나타나는 것을 확인할 수 있다.

② <전기 요금( Electric Charge )의 모델링 >

전기 요금은 일정시간 동안 전류가 행한 일 또는 공급되는 전기 에너지의 총량을 의미하는 전력량에 따라 계산된다. 가전 제품은 모두 각각의 소비 전력을 가지고 있으므로 사용한 시간에 따라 전체의 전력량을 계산할 수 있다. 하지만 전기요금은 전력량을 기준으로 하지만 전력량에 정비례하지는 않는다. 그 이유는 사용 한 전력량이 많을수록 단위 전력량당 요금이 증가하는 체증 요금제를 적용하기 때문이다. 따라서 조금만 전력량을 줄이더라도 아주 많은 전력요금을 절감할 수 있다. 다음 [표 1]은 사용 전력량과 전기 요금의 관계를 나타낸 표이다.

위의 [표 1]에서도 볼 수 있듯이, 사용한 전력량과 전기 요금 사이에는 누진세가 적용되어 두 가지 사이의 정비례 관계가 성립되지 않음을 확인할 수 있다. 사용한 전력량이 χ[kWh]일 때, 지불해야 하는 전기 요금은 다음과 같은 [수학식 5]로 표현된다.

도 5는 사용 전력량에 따른 실제 전기 요금과 모델링 패턴의 비교 그래프로서, 도 5에 있어서 참조부호 510의 그래프가 실제 한국전력에서 사용하는 전기 요금의 곡선이고, 참조부호 520의 그래프가 본 실시예에서 근사화를 통해 모델링한 전기 요금 곡선이다. Y 축의 단위는 '원(won)'이며, X 축은 사용한 전력량으로써 'kWh'이다. 따라서 본 발명에서 목적은 전기 요금의 최소화이므로, X 축에서 원점으로 가까이 가는 것이 최적화 값이라고 할 수 있다. 하지만 사용자의 불편도에 따른 제한(Constraint)를 두어 한없이 원점으로 가는 것을 막고 적절한 전력량에 최적화된 전기 요금의 값을 구한다. 이에 관한 자세한 내용은 다음에서 자세히 후술한다.

③ <전력량 최적화>

(1) 시간 구간( time period )

본 발명에서는 가정에서 사용하는 여러 기기들의 최적화된 스케쥴링을 통하여 사용자의 불편도와 전기 요금을 최소화하는 것을 목표로 하고, 본 설명에서는 사용자의 불편도 및 전기 요금의 최적화를 설명한다.

먼저 하루를 여러 개의 시간 구간(time period)로 나누어서 스케쥴링을 할 필요가 있다. 본 실시예에서는 각 시간 구간(time period)를 3 시간씩 총 8 개의 구간(period)로 나누며, 1번 구간을 2시~5시, 2번 구간을 5~8시, 3번 구간을 8~11시, 4번 구간을 11~14시, 5번 구간을 14~17시, 6번 구간을 17~20시, 7번 구간을 20~23시, 8번 구간을 23~2시로 구분한다. 즉 시간 구간 인덱스(Time Period index)가 i일 때, i 값은 1부터 8까지의 값을 가지며 아래 그림과 같이 표기될 수 있다. 본 실시예에서는 시간 구간을 총 8 개의 구간으로 나누지만 여기에 제한되지 않는다.

(2) 사용자 불편도

사용자의 불편도에 대한 정의가 필요하다. 모든 전력기기가 off 상태이면, 사용하는 전력량이 줄어들고 이에 따라 전기 요금도 최소화가 된다. 하지만 이에 따라 전기 기기를 사용하는 사용자의 불편도가 증가하게 된다. 따라서 사용자의 불편도를 고려할 필요가 있다. 위의 시간 구간 i에서 모든 전력기기에 대해 줄이는 전력절감비율의 평균을

이라고 하면, 이 값은 기존 전력량에서 줄여야 하는 전력량 사이의 비율이기 때문에 0부터 1 사이의 값을 가진다. 만약 이 값이 0이면, 해당되는 시간 구간(time period)에서 줄여야 하는 전력량이 없는 상태로, 원 상태의 사용 패턴대로 사용하면 된다. 하지만 이 값이 점점 커지면 해당 시간 구간(time period)에서 줄여야 하는 전력량이 많아지게 되고, 이 값이 1이 되면 모든 기기를 off 상태로 설정한다는 의미가 된다. 따라서 이 값이 커짐에 따라, 사용자의 불편도가 증가한다는 것을 쉽게 알 수 있다. 사용자의 불편도를 0부터 1 사이로 정규화(normalize)하고서, 이 값과 불편도 사이의 관계를 살펴보면, 이 둘 사이의 관계는 정비례 관계가 아니라, 값이 커짐에 따라 기하급수적으로 증가하게 되며, 이는 도 6에 도시된 그래프와 같은 곡선으로 표현할 수 있다.

도 6은 시간 구간 i에서 전력절감비율과 사용자의 불편도의 관계를 나타낸 그래프로서, 도 6에 도시된 바와 같이,

값과 사용자의 불편도(inconv) 사이의 관계는 지수적인 관계를 나타냄을 알 수 있으며, 따라서 다음 [수학식 6]과 같 은 식으로 모델링할 수 있다.

[수학식 6]을 보면, 두 변수 사이의 관계는

식으로 모델링할 수 있다. 따라서 사용자가 허용할 수 있는 한계 불편도를 α라고 하면, 이에 해당하는

값은

가 된다. 예를 들면, 사용자가 허용할 수 있는 불편도를 5%, n=2라고 가정하면 α=0.05가 되어

값은 0.2236이 된다. 이 수치가 의미하는 것은 각 시간 구간(time period)마다 모든 기기들이 평균적으로 줄여야 하는 전력비율이 22.36%라는 것을 의미한다. 그러므로 사용자 불편도의 값, 즉 α값을 높게 설정할수록 평균적으로 줄여야 하는 전력 비율은 높게 나오는 것을 확인할 수 있다.

본 실시예에서 사용하는 파라미터를 정리하면 아래의 [표 2]와 같다.

(3) 전력량

상기 [표 2]에서 정의한 파라미터를 이용하여 시간 구간(Time period) i에서 전력기기 m이 소모하는 전력량 P_i _,m를 표현하면 다음 [수학식 7]과 같다.

, 여기서, C_m은 전력기기 m의 capacity.

그리고, 시간 구간(time period) i에서 모든 전력기기가 소모하는 총 전력량의 합을 나타내는 P_i _, _Total은 다음 [수학식 8]과 같다.

따라서 총 8개의 시간 구간(time period), 즉 하루 동안 사용하는 총 전력량은 P_Total은 다음 [수학식 9]와 같다.

여기서 구한 P_Total을 앞에서 모델링한 전기요금 수식에 대입하면 전기요금을 구할 수 있다. 본 발명에 있어서 전기요금을 줄이는 것은 사용 전력량을 최적화하는 것이므로, 결국 최적 목적 함수(Objective function)는 다음 [수학식 10]과 같다.

상기 [수학식 10]의 파라미터를 다시 정리하면, f_m(t)는 전기 기기 m의 시간(t)에 따른 사용 패턴이고,

은 시간 구간 i에서 전력기기 m이 줄여야 하는 전력 비율이며, C_m은 전력기기 m의 평균 capacity이다. 한국전력의 통계 자료를 통 해 각 전력기기들의 평균 capacity를 구하면, cap₁=135, cap₂=67, cap₃=495, cap₄=1725, cap₅=168이며, 단위는 watt[W]이다.

(4) 목적 함수의 제약 조건( constraint )

먼저 각 전력기기의 사용 패턴을 수식화한 f_m(t)는 f_m(t)≥0을 만족해야 하며, 시간 구간(Time period) i에서 전력기기 m이 줄여야 하는 전력 비율

또한

≥0을 만족해야 한다.

그리고 본 발명에서 제안하는 알고리즘에서는 항상 켜놓아야 하는 전력기기인 냉장고의 전력을 가장 우선순위를 높게 설정하여 스케쥴링을 피하도록 한다. 이를 표현하면

으로 나타낼 수 있다.

또한, 연속된 두 시간 구간(time period)에서 동일한 전력기기 m이 줄여야 하는 전력 비율의 합이 1을 넘지 못하도록 한다. 이는 연속된 시간 구간(time period)에서 연속하여 줄여야 하는 전력 비율에 제약 조건을 설정하여 사용자의 불편을 최소화하려는 의도이다. 이는

로 표현할 수 있다. 따라서 현재 시간 구간에 특정한 전력기기를 off 상태로 설정하였다면, 다음 시간 구간에서는 동일한 전력기기를 on 상태로 설정해야만 한다. 물론, 반드시 여기에 제한되지 않는다.

또한, 사용자의 불편도, 즉 α값은 0≤α≤1를 만족해야 하며, 이에 대응하 는

은

의 값이 되어, 동일한 시간 구간(time period) 내에서 줄일 수 있는 전력비율에 제약조건을 설정한다. 따라서 연속된 시간 측면에서 사용자의 불편도를 고려할 뿐만 아니라, 한 시간 구간(time period) 내에서의 사용자의 불편도 또한 고려하였음을 알 수 있다.

마지막으로 최소화하려는 전기 요금 또한 가격을 의미하기 때문에, 0보다 큰 값을 나타내야 한다. 위와 같은 제약 사항을 수식으로 종합해서 표현해 보면 다음 [수학식 11]과 같다.

상기 [수학식 11]에서 최소 전력 사용량의 최적의 값은 최적화된

값을 구함으로써, 다음 [수학식 12]와 같이 표현될 수 있다.

이하에서는, 이러한 조건을 기초로 하여 시간 구간(time period) 내에서 전 력기기의 전력을 줄이는 방법을 구체적으로 설명한다.

④ 구체적인 에너지 절감 방법

우리가 사용하는 전력기기의 사용량을 한없이 줄이면 전기요금 또한 최소화할 수 있다. 하지만 이는 현실적으로 불가능한 일이며, 사용자의 불편도가 최대화되기 때문에 본 발명에서 구하고자 하는 것과는 큰 차이를 보인다. 따라서 상술한 바와 같은 여러 제약 조건을 두어 제시한 최적화의 값을 산출한다.

(1) 전력기기의 우선 순위

먼저 시간 구간(time period) 1과 2는 스케쥴링을 하지 않도록 한다. 각각 오전 2~5, 오전 5~8시 사이로써 이 시간 구간에는 전력기기의 사용량이 다른 시간 구간(time period)과 큰 차이를 보일 정도로 적기 때문에 스케쥴링의 필요성이 적다고 할 수 있다. 따라서 시간 구간 3부터 스케쥴링을 시작한다. 구체적인 설명에 앞서, 다음 [표 3]과 같이 각 시간 구간마다 전력기기의 우선 순위(priority)를 정하도록 한다.

[표 3]에서, 가장 상위 행은 시간 구간을 나타내고, 좌측 열은 우선 순위를 나타내며, REF는 냉장고, WA는 세탁기, Air는 에어컨, TV는 텔레비젼, Com은 컴퓨터를 나타낸다.

각 시간 구간에서 사람들이 꼭 사용해야만 한다는 전력기기가 1 순위가 되며, 꼭 필요하지 않은 전력기기일수록 우선 순위가 낮아지게 된다. 본 실시예에서 5 가지 전력기기를 모델링하였으므로, 우선 순위가 가장 낮은 전력기기는 5 순위라고 할 수 있겠다. 이 중요도 순위를 설정한 근거는 역시 한국전력의 통계자료를 통하여 각 시간 구간에서 전력기기의 사용량 및 소비자가 중요하다고 생각하는 지표를 토대로 정하였다.

본 발명에 있어서 가장 중요한 점은 각 시간 구간 내에서 각 전력기기의 전력절감비율(

)을 정하는 것이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 시간 구간에서 전력 사용량을 줄여야 하는 전력기기의 선택 순서를 나타낸 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 각 시간 구간 내에서 줄여야 하는 전력기기의 선택 순서는, 우선 순위가 가장 낮은 전력기기(S701), 듀티 사이클(Duty cycle)에서 피크 전력(peak power)이 해당 시간 구간에서 나타나는 전력기기(S703), 가장 많은 전력을 소모하는 전력기기(S705), 우선 순위가 낮은 순위의 전력기기(S707) 순으로 선택한다. 그러나 반드시 여기에 제한되는 것은 아니며, 우선 순위만을 이용하여 선택할 수도 있다. 설계자의 선택에 따라 선택 순서는 가변적이지만, 도 7에 도시된 순서가 가장 바람직하다.

본 절에서 알고리즘의 설명을 쉽게 하기 위하여 사용자의 허용 불편도(α)를 0.05, 즉 5%, n의 값은 2로 가정한다. 이럴 경우 앞서 설명한 [수학식 6]을 통해 각 시간 구간에서 모든 전력기기가 줄일 수 있는 평균 전력 비율은

=0.2236, 약 22.36%로 정해지게 된다. 따라서 시간 구간에서 가질 수 있는 전력절감비율의 총 합은 5×(0.05)^0.5=1.1180이 된다. 이 수치의 의미는 각 시간 구간(time period)에서 5 개의 전력기기가 줄일 수 있는 전력절감비율의 합은 1.1180이라는 것이다. 이 값을 일반화된 수식으로 나타내면 다음 [수학식 13]과 같다.

이러한 허용 불편도는 각 시간 구간마다 독립적으로 설정될 수도 있고, 또는 모든 시간 구간에 걸쳐 동일하게 설정될 수도 있다.

(2) 구체적인 예(불편도 5%)

구체적인 예로서, 시간 구간(time period) 3의 경우의 스케쥴링을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 [표 3]을 참조하면, 시간 구간 3에서 우선 순위가 가장 낮은 에어컨의 전력절감비율을 1로 정한다. 즉

이 되며, 에어컨의 전력절감비율이 1이 되었으므로, 에어컨은 오전 8~11시 동안 off 상태가 되며, 나머지 0.1180을 다른 전력기기의 전력절감비율로 사용할 수 있다. 그 다음으로 줄여야 하는 전력기기는 세탁기가 된다. 도 7에 도시된 전력 사용량을 줄여야 하는 전력기기의 선택 순 서에 따르면, 두 번째 선택 대상은 듀티 사이클에서 피크 전력(peak power)이 해당 시간 구간(즉, 시간 구간 3)에서 나타나는 전력기기인데, 시간 구간 3에서 피크 전력이 나타나는 전력기기는 세탁기이기 때문이다. 그러므로 시간 구간(time period) 3에서 에어컨의 전력절감비율을 제외한 나머지 0.1180을 세탁기의 전력절감비율로 설정한다. 즉,

이 되는 것이다.

다음으로, 시간 구간(Time period) 4의 경우를 살펴보면 다음과 같다. [표 3]을 참조하면, 시간 구간 4에서 우선 순위가 가장 낮은 전력기기는 텔레비전이므로,

이 된다. 텔레비전 같은 경우는 대기전력을 갖는 전력기기이다. 따라서 시간 구간 4에서 off 상태로 설정해줌으로써, 대기전력의 절감 이득도 얻을 수 있다. 그 다음으로 줄여야 하는 전력기기는 이 시간 구간 4에서 피크 전력을 나타내는 전력기기이지만, 시간 구간 4에서 피크 전력을 보이는 전력기기는 존재하지 않는다. 따라서, 도 7을 참조하면, 그 다음 순서로 가장 많은 전력(power)를 소비하는 전력기기인 에어컨이 선택된다. 하지만 상술한 제약조건 중 연속된 시간 구간에서 전력절감비율의 합이 1을 넘어서는 안 된다는 조건을 만족시키지 못한다. 즉

이기 때문에

의 값이 0보다 큰 값을 가지게 되면

이 되어 제약조건을 만족시키지 못한다. 그러므로, 도 7을 참조하면, 다음 순서로 우선 순위가 낮은 전력기기인 컴퓨터를 선택하게 되며, 나머지 전력절감비율 11.8%, 즉

이 된다.

이상과 같은 방법으로 시간 구간 8까지 알고리즘을 수행하게 되면, 각 시간 구간마다 각 전력기기의 최적화된 전력절감비율을 구할 수 있다. 또한 그럼으로써 전기요금을 최대한 절감할 수 있게 된다. 시간 구간 1(i=1)에서 시간 구간 8(i=8)까지 사용자의 허용 불편도를 5%(n=2)로 하여 전력절감비율을 정리하면 다음 [표 4]와 같다.

[표 4]를 보면, 각 시간 구간(time period)에서 각 전력기기가 줄여야 하는 전력비율이 나타나 있다. 시간 구간 1과 2를 제외한 각 시간 구간에서 평균적으로 전력기기들은 22.36%의 전력을 줄여서 사용하여야 한다. 또한 텔레비전(m=1)은 하루에 15.45%, 세탁기(m=3)는 26.48%, 에어컨(m=4)은 37.5%, 컴퓨터(m=5)는 4.43%의 전력을 줄여야 하며, 처음에서 가정하였듯이 냉장고(m=2)의 전력은 줄이지 않는다. 이를 각 시간 구간에서 사용한 전력으로 나타내면 다음의 [표 5]와 같다.

여기서, original은 종래 전력 사용량을 나타내며, after scheduling은 본 실시예에 따른 에너지 절감 방법을 적용한 결과의 전력 사용량이다.

[표 5]를 보면, 각 시간 구간(time period)마다 전력량이 줄어든 것을 알 수 있다. [표 5]는 하루에 사용하는 평균 전력량을 나타낸 것이며, 전기요금을 측정하는 한 달 기준으로 하면, 기존의 총 전력량은 318.8970kWh인 반면, 본 발명에 따른 총 전력량은 238.125kWh가 된다. 이는 총 전력량이 25.33% 줄어든 수치이며, 사용자의 불편도는 5%가 된다. 전기요금으로 환산해 보면, 기존의 전기요금은 평균 41,615원이고, 스케쥴링을 통한 결과는 24,736원이 되어 40.56% 절감효과를 얻을 수 있다. 이를 그래프로 표현하여 설명하면 다음과 같다.

이상의 설명에서 총 전력절감비율을 두 개의 전력기기에만 할당하는 것으로 설명하였으나 여기에 제한되는 것은 아니며, 각 전력기기에 일정하게 전력절감비율을 할당할 수도 있고, 또는 소정의 차이만큼 차등을 두어 전력절감비율을 할당할 수도 있다. 전력절감비율의 할당값은 설계자에 따라 적절하게 선택될 수 있다.

또한, 사용자의 허용 불편도를 모든 시간 구간마다 동일하게 설정한 것으로 가정하고 설명하였으나, 사용자의 허용 불편도는 각 시간 구간마다 다르게 설정할 수도 있고, 이에 따라 각 시간 구간마다 줄일 수 있는 총 전력절감비율은 다를 수 있다.

도 8은 텔레비젼 및 세탁기의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프로서, 도 8의 (a)는 텔레비젼의 비교 그래프이고, 도 8의 (b)는 세탁기의 비교 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 텔레비젼과 세탁기의 종래의 전력 사용량(801a, 801b)과 본 발명에 따른 에너지 절감 알고리즘을 적용한 전력 사용량(803a, 803b)을 비교하면, 본 발명에 따른 전력 사용량(803a, 803b)이 종래의 전력 사용량(801a, 801b)보다 작아졌음을 알 수 있다.

도 9는 에어컨 및 컴퓨터의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프로서, 도 9의 (a)는 에어컨의 비교 그래프이고, 도 9의 (b)는 컴퓨터의 비교 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 에어컨과 컴퓨터의 종래의 전력 사용량(901a, 901b)과 본 발명에 따른 에너지 절감 알고리즘을 적용한 전력 사용량(903a, 903b)을 비교하면, 본 발명에 따른 전력 사용량(903a, 903b)이 종래의 전력 사용량(901a, 901b)보다 작아졌음을 알 수 있다.

(3) 구체적인 예(불편도 10%, 15%)

앞선 예는 사용자의 허용 불편도가 5%(α=0.05)인 경우이다. n의 값은 변함없이 2로 가정하고 상술한 알고리즘을 동일하게 적용할 때, 사용자의 허용 불편도가 10%(α=0.1)일 때와 15%(α=0.15)일 때의 전력절감비율의 결과를 나타내면 다음의 [표 6]과 [표 7]과 같다. [표 6]은 사용자의 허용 불편도가 10%일 때의 전력절감비율이고, [표 7]은 사용자의 허용 불편도가 15%일 때의 전력절감비율이다.

이상을 종합하여 사용자의 허용 불편도가 5%(α=0.05), 10%(α=0.1), 15%(α=0.15)일 때의 전력 사용량과 종래 전력 사용량을 비교한 그래프를 설명한다.

도 10은 텔레비젼의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프로서, 도 10의 (a)는 텔레비젼의 종래의 전력 사용량(1010a)과 본 발명에 따라 허용 불편도 5%(α=0.05)를 적용한 전력 사용량(1030a)의 비교 그래프이고, 도 10의 (b)는 텔레비젼의 종래의 전력 사용량(1010b)과 본 발명에 따라 허용 불편도 10%(α=0.1)를 적용한 전력 사용량(1030b)의 비교 그래프이며, 도 10의 (c)는 텔레비젼의 종래의 전력 사용량(1010c)과 본 발명에 따라 허용 불편도 15%(α=0.15)를 적용한 전력 사용량(1030c)의 비교 그래프이다.

도 11은 세탁기의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프로서, 도 11의 (a)는 세탁기의 종래의 전력 사용량(1110a)과 본 발명에 따라 허용 불편도 5%(α=0.05)를 적용한 전력 사용량(1130a)의 비교 그래프이고, 도 11의 (b)는 세탁기의 종래의 전력 사용량(1110b)과 본 발명에 따라 허용 불편도 10%(α=0.1)를 적용한 전력 사용량(1130b)의 비교 그래프이며, 도 11의 (c)는 세탁기의 종래의 전력 사용량(1110c)과 본 발명에 따라 허용 불편도 15%(α=0.15)를 적용한 전력 사용량(1130c)의 비교 그래프이다.

도 12는 에어컨의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프로서, 도 12의 (a)는 에어컨의 종래의 전력 사용량(1210a)과 본 발명에 따라 허용 불편도 5%(α=0.05)를 적용한 전력 사용량(1230a)의 비교 그래프이고, 도 12의 (b)는 에어컨의 종래의 전력 사용량(1210b)과 본 발명에 따라 허용 불편도 10%(α=0.1)를 적용한 전력 사용량(1230b)의 비교 그래프이며, 도 12의 (c)는 에어컨의 종래의 전력 사용량(1210c)과 본 발명에 따라 허용 불편도 15%(α=0.15)를 적용한 전력 사용량(1230c)의 비교 그래프이다.

도 13은 컴퓨터의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프로서, 도 13의 (a)는 컴퓨터의 종래의 전력 사용량(1310a)과 본 발명에 따라 허용 불편도 5%(α=0.05)를 적용한 전력 사용량(1330a)의 비교 그래프이고, 도 13의 (b)는 컴퓨터의 종래의 전력 사용량(1310b)과 본 발명에 따라 허용 불편도 10%(α=0.1)를 적용한 전력 사용량(1330b)의 비교 그래프이며, 도 13의 (c)는 컴퓨터의 종래의 전력 사용량(1310c)과 본 발명에 따라 허용 불편도 15%(α=0.15)를 적용한 전력 사용량(1330c)의 비교 그래프이다.

도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 사용자의 허용 불편도 α값이 커질수록 종래 전력 사용량의 곡선보다 본 발명의 알고리즘이 적용된 전력 사용량의 곡선이 상당히 아래로 내려와 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 5 가지 전력기기 중에서 에어컨의 전략 절감량이 가장 큰 값을 보이는 것을 알 수 있으며, 컴퓨터의 경우가 가장 적은 변화를 보이는 것을 알 수 있다. 물론 α값이 커질수록 전기 요금이 더 크게 절감된다는 것은 누구나 알 것이다. 이를 수치로 보면 기존의 41,615원이었던 전기요금은 α값이 5%일 때 24,736원, α값이 10%일 때 20,868원, α값이 15%일 때 18,165원이 된다. 각각 전기요금이 40.56%, 49.85%, 56.35% 절약된 것을 확인할 수 있다. 이를 그래프로 나타내면 도 14와 같다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자의 허용 불편도(inconvenience)에 따른 전기 요금(cost)의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 사용자의 불편도가 커질수록 전기 요금은 작아지는 것을 알 수 있다. 또한 대기전력이 있는 전력기기를 off 상태로 할 경우 아주 큰 차이는 나지 않지만 많은 가정에서 이를 시행할 경우 큰 결과 차이가 나타날 것으로 예상한다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절감 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 에너지 절감 장치(1500)는, 사용자 입력부(1510), 저장부(1530), 전력절감비율 결정부(1550), 전력절감비율 할당부(1570) 및 전력 절감부(1590)를 포함한다.

사용자 입력부(1510)는, 사용자로부터 시간 구간의 설정값, 시간 구간별 허용 불편도, 각 시간 구간별 전력기기의 우선 순위 등을 입력받아 이를 저장부(1530)에 저장한다. 상기 시간 구간의 설정값은 24 시간을 소정 개수의 구간으로 나눈 정보이다.

전력절감비율 결정부(1550)는, 상기 사용자 입력부(1510)를 통해 입력되어 저장부(1530)에 저장된 각 시간 구간별 허용 불편도를 이용하여 각 시간 구간마다의 총 전력절감비율을 결정한다. 전력절감비율 결정부(1550)는 [수학식 6]에 기초하여 허용 불편도를 이용하여 각 시간 구간에서 전력절감비율의 평균을 구하고, 그 전력절감비율의 평균에 전력기기의 수만큼 곱하여 전력절감비율을 결정한다.

전력절감비율 할당부(1570)는, 상기 전력절감비율 결정부(1550)에서 결정된 각 시간 구간의 총 전력절감비율을 각 시간 구간마다 각 전력기기에 할당한다. 전력절감비율 할당부(1570)는, 각 시간 구간마다 각 전력기기에 전력절감비율을 할당할 때, 저장부(1530)에 저장된 시간 구간별 전력기기의 우선 순위 정보를 이용한다.

구체적으로, 전력절감비율 할당부(1570)는, 도 7을 참조하여 설명한 바와 같은 순서에 따라 각 시간 구간마다 전력절감비율을 할당할 전력기기를 차례로 선택하는데, 전력기기를 선택할 때 저장부(1530)에 저장된 각 시간 구간별 전력기기의 우선 순위 정보를 이용한다. 예컨대, 시간 구간 3에서 전력절감비율을 할당할 전력기기를 선택할 때, 가장 먼저 선택되는 전력기기는 우선 순위가 가장 낮은 전력기기이다. 따라서 저장부(1530)에 저장된 각 시간 구간별 전력기기의 우선 순위 정보를 이용하여 시간 구간 3에서 우선 순위가 가장 낮은 전력기기를 선택한다.

전력 절감부(1580)는, 상기 전력절감비율 할당부(1570)에서 할당된 각 시간 구간마다의 전력절감비율 할당 결과를 이용하여, 각 시간 구간에서 상기 전력절감비율 할당 결과를 이용하여 전력기기의 전력을 절감시킨다. 예컨대, 시간 구간 3에서 에어컨의 전력절감비율이 1이고 세탁기의 전력절감비율이 0.5라면, 전력 절감부(1580)는 에어컨은 OFF 시키고, 세탁기의 전력은 50% 절감시킨다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 허용 불편도가 5%일 경우, 전력량은 약 22%이상의 절감 이득의 효과를 보였으며, 전기요금 또한 약 40%이상의 이득을 얻을 수 있다. 종래의 전력기기들의 ON/OFF 양자 택일 방법과는 큰 차이를 나타낸다. 특정 시간 구간에서 계속해서 전력기기를 OFF 상태로 한다는 것은 사용자의 불편도가 매우 크다고 볼 수 있지만, 전력절감비율을 결정한다는 것은 사용자의 불편도를 고려한 수치이기 때문에 문제가 안 된다. 예를 들어 전력절감비율이 0.2라고 하면, 해당 시간 구간 3시간 중에서 0.2 만큼의 시간, 즉 약 36분 동안 전력기기를 OFF 상태로 한다는 의미로 해석할 수 있으며, 또는 해당 전력기기의 전력을 20%가량 낮게 설정한다는 의미로 해석 가능하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(시디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

도 1은 텔레비전의 실제 전력 소모 패턴과 모델링 패턴의 비교 그래프이다.

도 2는 세탁기의 실제 전력 소모 패턴과 모델링 패턴의 비교 그래프이다.

도 3은 에어컨의 실제 전력 소모 패턴과 모델링 패턴의 비교 그래프이다.

도 4는 컴퓨터의 실제 전력 소모 패턴과 모델링 패턴의 비교 그래프이다.

도 5는 사용 전력량에 따른 실제 전기 요금과 모델링 패턴의 비교 그래프이다.

도 6은 시간 구간 i에서 전력절감비율과 사용자의 불편도의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 사용량을 줄여야할 전력기기의 선택 순서도이다.

도 8은 텔레비젼 및 세탁기의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프이다.

도 9는 에어컨 및 컴퓨터의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프이다.

도 10은 텔레비젼의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프이다.

도 11은 세탁기의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프이다.

도 12는 에어컨기의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프이다.

도 13은 컴퓨터의 종래 전력 사용량과 본 발명의 에너지 절감 방법에 따라 스케쥴링된 전력 사용량을 비교한 그래프이다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자의 허용 불편도(inconvenience)에 따른 전기 요금(cost)의 관계를 나타낸 그래프이다.

Claims

복수의 전력기기가 공존하는 환경에서의 에너지 절감 방법으로서,

사용자의 허용 불편도 및 총 전력절감비율 간의 관계를 설정하는 설정 단계;

상기 허용 불편도 및 총 전력절감비율 간의 관계를 이용하여 총 전력절감비율을 결정하는 결정 단계;

특정 시간 구간에서 복수의 전력기기 각각에, 사용자에 의해 설정된 우선 순위가 가장 낮은 전력기기부터 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당하는 할당 단계; 및

상기 특정 시간 구간에서 상기 복수의 전력기기의 전력을 상기 할당된 전력절감비율만큼 줄이는 절감 단계;를 포함하는 에너지 절감 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 할당 단계는,

우선 순위가 가장 낮은 전력기기, 듀티 사이클(Duty Cycle)에서 상기 특정 시간 구간에서 피크 전력이 나타나는 전력기기, 나머지 전력기기 중 우선 순위가 가장 낮은 전력기기의 순서로 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당하는 것을 특징 으로 하는 에너지 절감 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 할당 단계는,

우선 순위가 가장 낮은 전력기기, 듀티 사이클(Duty Cycle)에서 상기 특정 시간 구간에서 피크 전력이 나타나는 전력기기, 나머지 전력기기 중 상기 특정 시간 구간에서 가장 많은 전력을 소모하는 전력기기, 나머지 전력기기 중 우선 순위가 가장 낮은 전력기기의 순서로 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감 방법.
제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

시간 구간별로 전력기기의 우선 순위를 설정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감 방법.
제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 할당 단계는,

상기 특정 시간 구간에서 할당하는 전력절감비율과 이전 시간 구간에서 할당된 전력절감비율의 합이 1 이상인 전력기기는 해당 특정 시간 구간에서 전력절감비율을 할당하지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 절감 방법.
복수의 전력기기의 에너지를 절감하기 위한 에너지 절감 장치에 있어서,

사용자의 허용 불편도 및 총 전력절감비율 간의 관계를 이용하여 총 전력절감비율을 결정하는 결정부;

특정 시간 구간에서 복수의 전력기기 각각에, 사용자에 의해 설정된 우선 순위가 가장 낮은 전력기기부터 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당하는 할당부; 및

상기 특정 시간 구간에서 상기 복수의 전력기기의 전력을 상기 할당부에서 할당된 전력절감비율만큼 줄이는 절감부;를 포함하는 에너지 절감 장치.
삭제
제 7 항에 있어서,

상기 할당부는,

우선 순위가 가장 낮은 전력기기, 듀티 사이클(Duty Cycle)에서 상기 특정 시간 구간에서 피크 전력이 나타나는 전력기기, 나머지 전력기기 중 우선 순위가 가장 낮은 전력기기의 순서로 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 할당부는,

우선 순위가 가장 낮은 전력기기, 듀티 사이클(Duty Cycle)에서 상기 특정 시간 구간에서 피크 전력이 나타나는 전력기기, 나머지 전력기기 중 상기 특정 시간 구간에서 가장 많은 전력을 소모하는 전력기기, 나머지 전력기기 중 우선 순위가 가장 낮은 전력기기의 순서로 상기 총 전력절감비율을 나누어 할당하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감 장치.
제 7 항, 제 9 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 할당부는,

상기 특정 시간 구간에서 할당하는 전력절감비율과 이전 시간 구간에서 할당된 전력절감비율의 합이 1 이상인 전력기기는 해당 특정 시간 구간에서 전력절감비율을 할당하지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 절감 장치.
제 7 항, 제 9 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

사용자로부터 각 시간 구간별 전력기기의 우선 순위 정보를 입력받아 저장하는 입력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감 장치.